131025第03章 单极放大器02

北邮cmos模拟集成电路设计课件

时

模拟CMOS集成电路设计： 间：2009年12月10日

韩 可 电子工程学院

Email: hanke@http://doc.guandang.net Tel : 62283724

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第3章单级放大器

3.1 基本概念 3.2 共源级 3.3 源跟随器 3.4 共栅极 3.5 共源共栅极

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共源极

采用电阻负载的共源级 采用二极管负载的共源极—工作在饱和区MOS 采用电流源负载的共源极 采用工作在线性区的MOS为负载的共源极 带源级负反馈的共源极

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回顾： 采用电阻负载的共源极

采用电阻负载的共源极：

借助自身的跨导，MOS管可以 将栅-源电压的变化转换成小信 号的漏极电流，小信号的漏电 电流流过电阻就会产生输出电 压。

Vout VDD - ID RD

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采用电阻负载的共源极将不同的I/V特性代入得到(b) 图曲线： (1)截止区：输入电压Vin从0 开始增大,但小于阈值电压， M1截止，输出电压Vout为VDD (2)饱和区：输入电压Vin增 大至VTH ,M1开始导通，RD有 电流流过，输出电压Vout小于 VDD

Vout VDD I D RD VDD RD

nCoxW2L

(Vin VTH ) 2

(3)三级管区：输入电压Vin增大至Vin1 =Vout +VTH , M1工作在线形区，此区跨导会下降。(不希望出现)

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电阻负载CS放大器设计参数的制约关系Av gm RD 2μ CW n ox L

ID RD Av 2μnC

W ox L

VRD ID

增益AV与W/L、ID、RD(VRD)三个参数有关。 若保持ID、RD为常数， W/L↑,AV ↑,但MOS管寄生电容↑,高频相应(放 大器的f3dB↓)变差。 若保持为ID、 W/L常数， RD↑,AV ↑,这意味着VDS ↓,放大器静态工作点下 移，输出电压的摆幅↓。 若保持W/L、VRD不变，ID ↓, AV ↑,这意味着RD ↑,版图面积↑,电阻噪声 ↑,放大器速度↓(输出节点时间常数RC ↑),沟道调制效应的影响↑ (r0与RD更 接近)。 总之，若为提高增益而使 RD↑,就会导致输出电压的摆幅↓,版图面积↑,电 阻噪声↑,放大器速度↓,因此电阻复杂CS放大器一般不常用 。电子工程学院

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二极管连结MOS管的工作状态 (将栅极和漏极短接，相当于一个小信号电阻)

MOS管二极管连结并导通时,Vgs=Vds,显然,不论 是NMOS还是PMOS管,均工作在饱和区

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MOS二极管连接负载的共源极Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02

NMOS负载时，λ≠0,γ≠0(W/L) 1 1 Av (W/L) 2 1 η

Rin=(1/gm2)//r02

PMOS负载时， λ≠0,γ=0 n (W/L)1 Av p (W/L)2

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MOS二极管连接负载共源极的小结

增益AV [(W/L)1/(W/L)2]1/2 = Von2/ Von1。 增益AV不高(一般<10),且输入、输出摆幅小，这一特点 限制了它的应用。 它的优点是跨导gm与电流ID无关，放大器的线性特性好， 大信号下也如此。二极管连接的MOS管常用来构成有源电 流镜。 有改善AV不高、输出摆幅小这一缺

点的电路，但效果不是 特别明显。

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Ch. 3

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采用电流源负载的共源极Av = -g m RD = - 2μnC W ox L

ID RD

取得大的增益: 增大电阻 增大电阻会限制输出电压的摆幅 用电流源代替负载: 工作在饱和区的MOS相当于电流 源，夹断尺寸L与MOS的L相同 此时也应考虑沟道长度调制，在饱和区：

1 1 = (1 + VDS ), L LID

VDS

L = L

μnCox W = (VGS - VTH ) 2 (1 + λVDS ) 2L

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采用电流源负载的共源级

I D1

1 W 2 μnCOX (Vin VTH1 ) (1 λ Vout ) I1 2 L 1

IjCj

由上式可知:若I1为理想恒流,Vin↑,则Vout↓

也可以这样理解: 静态时, I1=ID1,Vout为一确定的 静态电压,Ij= 0。Vin↑,ID1↑,Ij=I1- ID1<0,Cj(可以理 解成是负载电容,也可以理解成是寄生电容)放电 ,Vout↓,反之, Vin↓,ID1↓, Ij=I1- ID1>0,Cj充电,Vout ↑电子工程学院Ch. 3

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PMOS管饱和的判断条件通常以PMOS形成的电流源做负载 d

g

g d

NMOS饱和条件：Vgs>V ;Vds≥Vgs-VTHN

THN

PMOS饱和条件: Vgs<VPMOS漏电流计算：

THP

;Vds≤Vgs+| V |THP

1 W 2 I1 μ pCOX (Vgs VTH2 ) 2 L 2

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电流源负载共源级的输出电压摆幅问题I D1 1 W 2 μnCOX (Vin VTH1 ) (1 λ Vout ) 2 L 1

1 W I1 μ pCOX (Vgs VTH2 )2 2 L 2

前面说过，记Von=VGS-VTH,称Von为MOS管 的过驱动电压,它表征MOS管工作电流的大小M1、M2饱和要求:1.

Von1 =Vin – VTH1 ≤ Vout ≤ Vb +| VTH2 | = VDD – Von2

输出电压摆幅与Vin、 Vb有关(也常说成与Von1、 Von2有关,两种说法是一致的)。 保持ID1不变,若(W/L)1,2↑,Von1、2 ↓ ,Vin↓, Vb ↑, 摆幅增加 (反之减小)。 但(W·L)↑ ,寄生电容↑,高频性能变差，f3dB ↓ 。此即摆幅与带宽的折衷。

2.

若保持(W/L)1,2不变， ID ↑(ID 增加一般来说放大器速度也增加), Von ↑, Vin ↑, Vb ↓, 摆幅减小(反之增加)。此即速度与摆幅的折衷。电子工程学院Ch. 3

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采用电流源负载共源级的AV

Av gm ro1 || rW L ID

注意其AV与摆幅之间的关系同带电阻 负载CS的差别 o2 D

gm r 2μnCox I o1 1.

W L

1

1 λ1 I D

(∵λ 注意增益与 ∝1/L) ID的平方根成反比!

2.

3.

若W、ID不变, L↑(r02 ↑), AV↑,但过驱动电压Von↑,输出电压摆幅↓,若 同时保持Von不变(即摆幅不变) ,则需W ↑,这会导致寄生电容↑, 放大 器带宽↓。这充分体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关 系。(电阻负载CS中 ID不变, RD↑, AV↑, 摆幅一定↓) 若L、ID不变, W↑, AV↑,过驱动电压Von ↓ ,输出电压摆幅↑ ,这会导致寄 生电容↑, 放大器带宽↓。这体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间 的折衷关系。

若ID↓, AV↑, 过驱动电压Von↓, 摆幅↑, 放大器速度↓(ID↓), 这体现了增益、摆 幅、速度之间的折衷关系。电子工程学院

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考虑问题: 静态工作点Vout如何计算?????

若M1、M2饱和，不考虑沟道 调制效应(即λ≠0),则：

1 2 2 2 ID1 (Vin VTN ) ID2 (VDD Vb VTP ) 2 2上式与Vout大小无关！!,即 表示若M1、M2饱和， Vout可 以为任意值！这显然与实际不 符！

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电流源负载共源级的静态点问题(1) n(W/L)1(Vin-VTN)2(1+ 1V0 )= P(W/L)2(VDD-Vb-|VTP|)2[1+ 1(V0 -VDD)]若不考虑沟道调制效应：…… 此处隐藏：1973字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……